B:PROGPERG.TXT

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
_________________________
"____"______________2008 г.
ПРОГРАММА КУРСА
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
по направлению 010600 Прикладные математика и физика
факультет проблем физики и энергетики
кафедра
прикладной физики
курс
3
семестр
5,6
лекции
66
Диф. зачет (5семестр), экзамен (6 семестр).
практические (семинарские)
занятия
нет
лабораторные занятия
нет
ВСЕГО ЧАСОВ
66
Программу составил д.ф.-м.н. профессор М.И.Пергамент
Программа обсуждена на заседании
кафедры прикладной физики
22 октября 2008 г.
Заведующий кафедрой
А.Г.Леонов
Программа одобрена на заседании
Ученого Совета ФПФЭ
29 октября 2008 г.
Декан ФПФЭ
А.Г.Леонов
Москва 2008 г.
ПРОГРАММА КУРСА
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
1. Введение
Методы исследований в экспериментальной физике. Методы и способы измерения и
регистрации. Требования к достоверности экспериментальных данных и содержащейся в
них информации. Косвенные данные, интерпретация, понятие модели. Случайная
величина и случайная функция. Функции распределения и плотность вероятности.
Экспериментальные методы оценок математического ожидания и дисперсии.
2. Основные свойства измерительно-регистрирующих систем
Линейные измерительно-регистрирующие системы, их важнейшие свойства.
Стандартные сигналы, используемые для исследования линейных систем, их
математические аналоги. Границы применимости. Воздействие и отклик в линейных
системах. Аппаратная функция и связь входного и выходного сигналов. Запись уравнения
свертки для временных и пространственных сигналов. Особенности решения уравнений
этого типа. Фурье-образ функции. Обратное преобразование Фурье (восстановление).
Функции ограниченные по частоте и во времени (пространстве). Теорема Котельникова.
Дискретизация. Сумматорная форма записи Фурье-преобразований. Коэффициент
передачи, амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристика, методы их
измерения. Связь входного и выходного сигналов в Фурье-пространстве. Неустойчивость
решения при восстановлении входного сигнала по выходному. Особенности решения
уравнений этого типа. Аппаратная функция и коэффициент передачи. Условие
t    2, границы применимости моделей аппаратной функции. Особенности
коэффициента передачи для четных вещественных функций. Коэффициент передачи в
оптике. Линейные системы, не искажающие форму сигнала, "запаздывание". Основные
понятия теории информации. Сигналы и шумы, их статистические и спектральные
свойства, функции распределения. Методы измерения статистических и спектральных
характеристик шумов. Скорость передачи информации по радиотехническим и
оптическим каналам. Коэффициент потери мощности по К. Шеннону. Пропускная
способность канала передачи информации. Информационная емкость запоминающих
устройств. Энергетическая цена информации. Методы измерения переходных
характеристик и коэффициента передачи в радиотехнических устройствах. Методы
измерения аппаратной функции и частотно-контрастной характеристики в оптических
приборах.
3. Измерения в импульсных процессах
Методы измерения временных интервалов. Корреляционные методы измерения
длительности импульсов. Методы измерения формы и длительности импульсов
фемтосекундного диапазона. Измерительная схема FROG. Параллельные и
последовательно-параллельные аналого-цифровые преобразователи. Аналого-цифровые
преобразователи (АЦП) последовательного счета. Аналого-цифровые преобразователи
(АЦП) многотактного интегрирования. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). ЦАП
с суммированием напряжений, резистивная матрица и ЦАП с суммированием весовых
токов. Измерение импульсных токов и напряжений, пояс Роговского и делители
напряжения. Способы борьбы с наводками в импульсных системах. Системы сбора
данных, программно управляемые электронные устройства, стандарт КАМАК.
2
4. Фотографические методы исследования и скоростная фоторегистрация
Скоростные методы оптико-механической регистрации: фоторегистраторы и
кадровые камеры. Электронно-оптические преобразователи, устройство, аппаратная
функция и коэффициент передачи. Фотокатоды электронно-оптических преобразователей
– спектральная чувствительность, функция распределения фотоэлектронов по скоростям.
Шумы электронно-оптического преобразователя и оценка точности амплитудных
измерений. Разброс времени пролета и временное разрешение электронно-оптических
преобразователей;
формула
Арцимовича.
Электронно-оптические
камеры
–
пространственное
разрешение,
аппаратная
функция,
частотно-контрастная
характеристика, плотность потока передаваемой информации. Электронно-оптические
скоростные регистраторы: устройство, аппаратная функция, временное разрешение.
Электронно-оптические скоростные кадровые камеры: пространственное и временное и
разрешения. Микроканальные электронные умножители и микроканальные электронные
усилители в электроннооптических преобразователях, их свойства и применения. МОПструктуры, ПЗС- матрицы и ПЗС-камеры: устройство и возможности. Методы переноса
зарядов и их считывания в ПЗС - матрицах. Пространственное разрешение, аппаратная
функция, частотно-контрастная характеристика и информационная емкость ПЗС-камер.
Сенситометрические свойства фотослоев: почернение, характеристическая кривая,
светочувствительность, спектральная чувствительность, невзаимозаместимость. Фотослой
в голографии. Зернистость фотослоя и оценка точности зарегистрированного
изображения. Аппаратная функция, коэффициент передачи (частотно-контрастная
функция) и информационная емкость фотослоя. Методы измерений этих характеристик
Стохастические и спектральные характеристики шумов в оптических системах, методы их
измерения. Регистраторы использующие электрооптические эффекты, реализующие
кадровые режимы и режимы фоторегистрации. Фотодиоды и фотоумножители, их
конструкции, особенности применения.
5. Методы Фурье-оптики и фурье-спектроскопии.
Предмет Фурье-оптики, физические принципы преобразований Фурье в оптических
схемах. Дифракция света на транспарантах, роль линзы в Фурье-оптике. Фурье-спектры
изображений. Фильтрация в Фурье-плоскости, опыт Аббе, оптическая обработка
информации. Пространственная фильтрация и оптическая обработка информации.
Фильтры и оптические методы решения уравнения типа свертки. Частотный анализ
оптических систем. Фурье-анализ и интерферометрия; вычисление спектров по
интерферограммам. Фурье-спектрометры – основные соотношения, аппаратурная
реализация, области применения, преимущества и недостатки. Применение фурьеспектроскопии для исследования спектров пропускания газов и конденсированных сред, в
астрономических исследованиях и исследованиях плазмы.
6. Интерферометрия и теневые методы
Типы интерферометров, основные уравнения, описывающие распределение
интенсивности в интерферационной картине; неоднородность освещения, погрешности
оптики. Интерферометрические исследования осесимметричных объектов. Уравнение
Абеля. Конструкции интерферометров и методы их юстировки. Оптические схемы
теневых методов и основные соотношения. Источники света для интерферометрических и
теневых измерений и требования к ним.
7. Голографические методы измерения
Оптическая голография. Пропускание фотослоя (транспаранта) по амплитуде t(x, y),
распространение света за транспарантом. Образование голограмм и восстановление
волновых фронтов. Основные уравнения голографии. Схемы восстановления в
3
голографии. Операции в схеме восстановления – получение голографических
интерферограмм, фильтрация при восстановлении метод двойных экспозиций.
Соотношение сигнал/шум в голографической интерферометрии - дифракционная
эффективность, чувствительность и шумы. Применение голограмм в газовой динамике,
физике плазмы, для кодирования и хранения информации.
8. Зондирование электромагнитными волнами
Распространение электромагнитных волн в конденсированных средах, газах и плазме.
Диэлектрическая постоянная, ее особенности, дисперсионное соотношение. Поляризация
и двулучепреломление. Область использования оптической и микроволновой
интерферометрии. Метода фотоупругости и наблюдение динамики напряжений и
деформаций. Рассеяние света на флуктуациях плотности в конденсированных средах,
газах и плазме. Полное сечение рассеяния, диаграммы направленности рассеяния
поляризованного и неполяризованного излучений. Томсоновское и релеевское рассеяние,
резонансная флуоресценция. Бриллюэновское рассеяние, стоксовы компоненты.
Уравнения сохранения энергии и импульса при рассеянии. Рaмановское рассеяние,
коллективные явления в плазме и комбинационные частоты, критерий Солпитера.
Рассеяние света на движущихся электронах, уширение спектра рассеянного излучения при
максвелловском распределении электронов по скоростям. Использование явлений
рассеяния в методах измерений. Требования к источникам света.
9. Рентгеновские измерения
Спектральная область и характерные особенности излучения, линейчатый и
непрерывный спектры. Источники рентгеновского излучения. Детекторы: открытые ФЭУ,
сцинтилляторы, газовые счетчики, каналовые детекторы, полупроводниковые детекторы,
ЭОП`ы. Физические процессы в газовых счетчиках – ионизационные камеры,
пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера. Методы измерения спектрального состава
рентгеновского излучения при детектировании. Спектрометры и монохроматоры с
решетками и кристаллами. Фильтры и методы поглотителей. Оптика рентгеновских
изображений: камеры-обскуры и объективы с отражательной оптикой. Метод
кодирующих апертур. Стандарты излучения и калибровка в рентгеновском диапазоне.
Использование рентгеновских измерений в экспериментальной физике.
10. Корпускулярные методы измерения
Масс-анализ в электрических и магнитных полях. Анализ заряженных и нейтральных
частиц принцип действия и устройство камер перезарядки. Схемы анализаторов
(физические принципы): пролетный масс-спектрограф, масс-спектрограф Астона,  трон,
многоканальные
магнитные
анализаторы,
масс-спектрограф
Томсона,
электростатический анализатор масс-спектров.. Детекторы корпускулярного излучения,
эффективность регистрации. Многоканальные магнитные анализаторы – основные
соотношения, разрешение. Масс-спектрограф Томсона, – основные соотношения, методы
регистрации парабол. Пролетный масс-спектрограф, основные соотношения, разрешение,
чувствительность. Электростатический анализатор масс-спектров – принцип действия,
основные соотношения. Активные корпускулярные методы: "просвечивание", рассеяние,
комбинированные методы.
11. Методы обработки результатов измерений.
Интерпретация наблюдений – понятие модели, класс модели, выбор модели. Методы
сопоставления модели с экспериментальными данными, критерии сопоставления. Выбор
класса модели на основе метода проверки статистических гипотез и при информационном
подходе. Косвенный характер экспериментальных данных и обратные задачи, методы
восстановления исходных сигналов. Некорректно поставленные задачи, неустойчивость
4
по Адомару и подход Тихонова. Регуляризация по Тихонову – принципы, техника,
коэффициент регуляризации. Первичная обработка экспериментальных данных. Ошибки,
возникающие при первичной обработке экспериментальных данных, и их причины.
Методы усреднения экспериментальных данных. Принципы фильтрации: усреднение,
локальные фильтры, винеровская фильтрация. Погрешности возникающие при
использовании локальных фильтров. Погрешности, возникающие при винеровской
фильтрации. Решение обратных задач методом подбора, кусочно-полиномиальная
аппроксимация исходных сигналов (аппроксимация сплайнами). Погрешности
восстановленных сигналов, источники погрешностей и их влияние на точность
восстановления. Информационные методы оценок ошибок восстановления исходных
сигналов. Оптимальная стратегия считывания зарегистрированных сигналов.
Погрешности восстановленных сигналов. Проблемы точности, верхняя и нижняя
границы ошибок эксперимента Учет априорных данных и информационных оценок при
выборе коэффициента регуляризации и определении нижней границы возможной ошибки.
Квазиреальные эксперименты – методы, цели, решаемые задачи.
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
Д. Худсон, “Статистика для физиков”, стр. 73-99 и 207-211 - М., Мир, (1967)
Б.Л.Вен дер Варден, Математическая статистика, "ИЛ",М,1967.
А.А.Харькевич, Теоретические основы радиосвязи, Гостехтеориздат", М, 1957.
Г.С.Ландcберг, Оптика, Физматлит, 2006.
5. Шпольский Э.В. Атомная физика, т.1,2. М.: Наука, 1974
6. Методы исследования плазмы, М, 1971.
7. А. Н. Тихонов,
М. И. Пергамент,
“Современные
методы
измерений
и
интерпретации наблюдений в высокотемпературной плазме”, В кн. Диагностика
плазмы. Вып. 4, (II), стр. 130-147 - М.: Энергоиздат, (1981).
8. М. И. Пергамент, Диагностика плазмы по рассеянному излучению, Энциклопедии
низкотемпературной плазмы, т. II стр. 569-572 - Наука (2000).
9. А.Н.Зайдель,
Г.В.Островская,
Ю.И.Островский,
Техника
и
практика
спектроскопии,"Наука", М, 1972.
10. Л.М.Сороко, Основы голографии и когерентной оптики, "Наука", 1971.
11. Дж.Гудмен, Введение в фурье-оптику,"Мир", М,1970.
12. Р.Дж.Белл, Введение в фурье-спектроскопию, "Мир",М,1975.
13. М. И. Пергамент, “Информационные аспекты получения и обработки оптической и
спектральной информации”, Энциклопедии низкотемпературной плазмы, т. II
стр. 424-442 - Наука (2000).
14.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Ю.А.Розанов, Случайные процессы, "Наука", М, 1971.
М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики, "Наука", 1970.
Физика быстропротекающих процессов, "Мир", М, 1971.
М.И.Пергамент, Методы исследования нестационарных потоков плазмы, в кн.
Физика и применение плазменных ускорителей, "Наука и техника", Минск 1974.
Диагностика плазмы, "Мир", М, 1967.
Р.Кольер, К.Беркхарт, Л.Линь, Оптическая голография, "Мир",М,1973.
Л.Н.Пятницкий, Лазерная диагностика плазмы, "Атомиздат", 1976.
С.Голдман, Теория информации,"ИЛ", М, 1957.
5
9. К. Шеннон, “Математическая теория связи”. - В кн. Работы по теории информации
и кибернетике, стр. 243-332 - М.: И.Л., (1963); The Bell System Technical Journal,
Vol. 27, pp. 379–423, 623–656, July, October, 1948.
10. А.Н.Тихонов, В.Я.Арсенин, Методы решения некорректных задач, "Наука", М,
1974.
11. М.И.Пергамент, Информационные аспекты оптических изображений. Сб.
Диагностика плазмы. Вып. 7, сс. 163-208, “Энергоатомиздат”, 1990.
12. М.И.Пергамент, Как задавать вопросы природе, М.: МИФИ, 2003.
6